JP2017138474A

JP2017138474A - ミラーユニット及び光走査装置

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Publication number: JP2017138474A
Application number: JP2016019163A
Authority: JP
Inventors: 貴夫熊田; Takao Kumada; 河村　幸則; Yukinori Kawamura; 幸則河村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: JP6733195B2

Abstract

【課題】ミラー角度を検出可能且つ小型化可能なミラーユニットを提供すること。【解決手段】回動しながら光源からの照射光を反射し、前記光源からの照射光を反射した走査光で対象物を走査するミラーと、前記走査光の走査範囲内に設けられて前記走査光を反射する第１反射部材と、を有するミラーユニット。【選択図】図１

Description

本発明は、ミラーユニット及び光走査装置に関する。

光源と、回動しながら光源から照射される光を反射するミラーと、ミラーからの反射光を受光してミラー角度を検出する光センサとを有する光走査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２０３７０１号公報

上記したような光走査装置において、ミラーを含むミラーユニットを光源等とは別構成として小型化する場合に、ミラー角度の検出に用いる光センサをミラーユニットに設けると、ミラーユニットの小型化が困難になる可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ミラー角度を検出可能且つ小型化可能なミラーユニットを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るミラーユニットによれば、回動しながら光源からの照射光を反射し、前記光源からの照射光を反射した走査光で対象物を走査するミラーと、前記走査光の走査範囲内に設けられて前記走査光を反射する第１反射部材と、を有する。

本発明の実施形態によれば、ミラー角度を検出可能且つ小型化可能なミラーユニットが提供される。

第１の実施形態における光走査装置の概略構成を例示する図である。ミラーが回動する様子を例示する図である。ミラー角度検出方法について説明するための図である。第２の実施形態における光走査装置の概略構成を例示する図である。第３の実施形態における光走査装置の概略構成を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態における光走査装置１００の概略構成を例示する図である。

図１に示されるように、光走査装置１００は、光源１０１、ハーフミラー１０２、光ファイバ１０３、光検出器１０５、ミラーユニット１１０、処理装置１２０、静電容量検出部１３０、表示装置１４０を有する。

光源１０１は、例えばレーザダイオードであり、光ファイバ１０３に向かってレーザ光を照射する。なお、光源１０１は、光ファイバ１０３を通じてミラーユニット１１０に光を照射することが可能であれば、レーザダイオードに限られるものではない。

ハーフミラー１０２は、光源１０１から照射されるレーザ光を透過し、光ファイバ１０３から出射される反射光を反射する。光源１０１から照射されるレーザ光は、ハーフミラー１０２を透過して光ファイバ１０３に入射する。

光ファイバ１０３は、光源１０１から照射されるレーザ光をミラーユニット１１０に導く。また、光ファイバ１０３は、ミラーユニット１１０において反射される反射光を、光源１０１から照射されるレーザ光とは反対方向に導く。光ファイバ１０３は、端部から出射する光が平行光となるように、両端部にファイバコリメータ１０４が設けられている。

ミラーユニット１１０は、図１に示されるように、ミラー１１１、駆動電極１１３、反射部材１１７を有する。なお、図１には、ミラーユニット１１０の概略構成を示すために、ミラーユニット１１０を拡大して示している。ミラーユニット１１０は、例えば、光ファイバ１０３の先端部（光源１０１から照射されたレーザ光が出射する部分）に設けられる。

ミラー１１１は、光ファイバ１０３に導かれた光源１０１のレーザ光が照射される位置に設けられ、光源１０１から照射されるレーザ光を対象物５００に向かって反射する。ミラー１１１は、例えばＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）ミラーであり、駆動電極１１３と共に半導体基板上に形成される。ミラー１１１は、軸１１２を中心に図１に示される矢印方向に回動可能に形成される。ミラー１１１は、直流電源１１４に接続されて直流電圧が印加される。

駆動電極１１３は、ミラー１１１と共に半導体基板上に形成されている。駆動電極１１３は、交流電源１１５に接続されて交流電圧が印加される。交流電源１１５から駆動電極１１３に交流電圧が印加されると、図１において矢印で示されるように、ミラー１１１が軸１１２を中心として所定の角度範囲内で周期的に回動する。

図２は、ミラー１１１が回動する様子を例示する図である。

駆動電極１１３に交流電圧が印加されると、ミラー１１１は、図２（Ａ）に示す位置を中心（ミラー角度：０度）として、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、軸１１２を中心として所定の角度範囲（ミラー角度：±θ）内で周期的に回動する。ミラー１１１は、図２に示されるように回動することで、光源１０１から照射されたレーザ光を反射した走査光で所定の走査範囲（走査角度：±θ）内を走査する。

図１に示されるように、ミラー１１１によって反射されるレーザ光（走査光）は、破線で示される走査範囲内を周期的に往復して対象物５００の表面を走査する。走査光の走査範囲内には、反射部材１１７が設けられている。

反射部材１１７は、例えば樹脂や金属等の光を反射する材料で形成される。反射部材１１７及び対象物５００においてミラー１１１に向かって反射した反射光は、ミラー１１１において反射されて光ファイバ１０３に入射する。光ファイバ１０３に入射した反射部材１１７及び対象物５００からの反射光は、光ファイバ１０３から出射してハーフミラー１０２に反射されて光検出器１０５に導かれる。

光検出器１０５は、例えばフォトダイオードであり、受光量に応じた光検出信号を出力する。光検出器１０５は、ハーフミラー１０２からの反射光を受光する位置に設けられ、受光量に応じた光検出信号を処理装置１２０に出力する。

処理装置１２０は、角度検出部１２１、画像処理部１２２を有する。処理装置１２０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する。処理装置１２０が有する各機能は、例えばＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭと協働して実行することにより実現される。

角度検出部１２１は、光検出器１０５から出力される光検出信号と、静電容量検出部１３０によって検出される静電容量に基づいて、ミラー１１１のミラー角度を検出する。静電容量検出部１３０は、ミラー１１１と駆動電極１１３との間の静電容量を検出し、検出値を処理装置１２０に出力する。

図３は、角度検出部１２１におけるミラー角度検出方法を説明するための図である。

図３（Ａ）のグラフは、ミラー１１１のミラー角度θの時間変化を示している。図３（Ｂ）のグラフは、図３（Ａ）に示されるようにミラー１１１が回動した場合に光検出器１０５から出力された光検出信号を示している。また、図３（Ｃ）のグラフには、図３（Ａ）に示されるようにミラー１１１が回動した場合に静電容量検出部１３０によって検出された静電容量の値が破線で示されている。

本実施形態におけるミラー１１１は、例えば図３（Ａ）に示されるように、ミラー角度θが−１０度から＋１０度の範囲内で周期的に回動する。また、反射部材１１７は、例えばミラー角度θが−８度付近で走査光が入射する位置に設けられている。このような構成により、図３（Ｂ）に示されるように、ミラー角度θが−８度の時に光検出信号にピークが表れる。

また、図３（Ｃ）に示されるように、ミラー１１１と駆動電極１１３との間の静電容量は、ミラー１１１と駆動電極１１３との間隔が最小となるミラー角度θが０度の時に最大値となる。また、静電容量は、ミラー１１１と駆動電極１１３との間隔が最大となるミラー角度θが−１０度及び＋１０度の時に最小値となる。

ここで、処理装置１２０のメモリには、図３（Ｃ）に実線で示される静電容量Ｃとミラー角度θとの関係が記憶されている。角度検出部１２１は、図３において破線で示される静電容量検出部１３０により検出される静電容量Ｃ'が、図３（Ｃ）に実線で示される静電容量Ｃに等しくなるように、以下で説明するキャリブレーションを行う。

角度検出部１２１は、例えば、光検出信号が基準値ｖを超えた時の静電容量Ｃ_−８'が予め設定されている静電容量Ｃ_−８に等しくなるように、静電容量検出部１３０によって検出される静電容量Ｃ'の補正係数を求める。角度検出部１２１は、求めた補正係数を用いて、静電容量検出部１３０によって検出される静電容量Ｃ'が図３（Ｃ）に実線で示される静電容量Ｃに等しくなるように補正する。

角度検出部１２１は、上記したように静電容量検出部１３０によって検出された静電容量Ｃ'を補正し、メモリに記憶されている静電容量Ｃとミラー角度θとの関係に基づいて、補正した静電容量Ｃに対応するミラー角度θを求める。

角度検出部１２１によりミラー１１１のミラー角度θが求められると、画像処理部１２２が、ミラー１１１のミラー角度θ及び光検出器１０５から出力される光検出信号に基づいて、対象物５００の走査画像を生成する。画像処理部１２２は、例えば反射部材１１７が設けられていないミラー角度範囲（例えば反射部材１１７がミラー角度（−８度）の位置に設けられている場合には、−７度から＋７度）における光検出信号に基づいて、対象物５００の走査画像を生成する。

表示装置１４０は、例えば液晶ディスプレイであり、処理装置１２０の画像処理部１２２によって生成された走査画像を表示する。光走査装置１００の使用者は、表示装置１４０に表示される走査画像から、対象物５００の表面を確認できる。

以上で説明したように、第１の実施形態によれば、ミラーユニット１１０に設けられている反射部材１１７からの反射光をミラーユニット１１０の外部で検出することで、ミラー１１１のミラー角度θを求めることができる。したがって、ミラー１１１の角度を検出するためにミラーユニット１１０に光検出器１０５を設ける必要がないため、ミラーユニット１１０を小型化することができる。

なお、反射部材１１７は、所定の波長域の光を透過する材料で形成されてもよい。反射部材１１７が光を透過することで、対象物５００の走査範囲を拡大することができる。例えば、上記した様にミラー１１１が−１０度から＋１０度まで回動する場合に、ミラー角度θが−８度で走査光を反射する位置に反射部材１１７を設けると、対象物５００の走査範囲がミラー角度θにおいて−７度から＋７度までのように走査範囲より狭くなる。しかし、反射部材１１７が光を透過することで、対象物５００の走査範囲を走査光の走査範囲である−１０度から＋１０度まで拡大できる。

[第２の実施形態]
次に、第２の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。

図４は、第２の実施形態における光走査装置２００の概略構成を例示する図である。

図４に示されるように、第２の実施形態における光走査装置２００のミラーユニット２１０は、第１反射部材としての反射部材１１７、第２反射部材としての反射部材１１８ａ，１１８ｂを有する。

ここで、静電容量検出部１３０によって検出されるミラー１１１と駆動電極１１３との間の静電容量は、例えばミラー角度θが−８度の場合と＋８度の場合とで同じ大きさとなる。このため、角度検出部１２１が静電容量に基づいてミラー角度θを求める場合に、ミラー１１１が何れの方向に回動しているかを判別できなくなる可能性がある。

そこで、第２の実施形態におけるミラーユニット２１０では、第１反射部材として一つの反射部材１１７と、第２反射部材として２つの反射部材１１８ａ，１１８ｂとが、それぞれ走査光の走査範囲内において互いに反対側の端部近傍に設けられている。

このような構成により、例えばミラー１１１が図４において反時計回り方向に回動して反射部材１１７に走査光が入射すると、光検出器１０５における光検出信号に基準値ｖを超えるピークが一つ表れる。また、例えばミラー１１１が図４において時計回り方向に回動して反射部材１１８ａ，１１８ｂに走査光が入射すると、光検出器１０５における光検出信号に基準値ｖを超えるピークが二つ表れる。

角度検出部１２１は、例えば、周期的に回動するミラー１１１の回動方向を、所定時間内に光検出信号が基準値ｖを１回超えた時又は所定時間内に光検出信号が基準値ｖを２回超えた時からの経過時間に基づいて判別できる。

したがって、角度検出部１２１は、静電容量検出部１３０によって検出される静電容量と、ミラー１１１の回動方向とに基づいて、ミラー１１１のミラー角度θを正確に検出することが可能になる。

以上で説明したように、第２の実施形態によれば、ミラーユニット２１０を小型化すると共に、ミラー１１１のミラー角度θをより正確に検出することが可能になる。

なお、上記した第２の実施形態では、第１反射部材として１つの反射部材１１７を設け、第２反射部材として２つの反射部材１１８ａ，１１８ｂを設けたが、第１反射部材及び第２反射部材として設けられる反射部材の数は、本実施形態において例示した構成に限られない。第１反射部材として設けられる反射部材の数と、第２反射部材として設けられる反射部材の数とが異なる構成であれば、上記した方法と同様にミラー１１１の回動方向を判別できる。

また、第１反射部材及び第２反射部材として設けられる反射部材は、所定の波長域を透過する材料で形成されてもよい。各反射部材が光を透過することで、対象物５００の走査範囲を拡大できる。

[第３の実施形態]
次に、第３の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。

図５は、第３の実施形態における光走査装置３００の概略構成を例示する図である。

図５に示されるように、第３の実施形態における光走査装置３００のミラーユニット３１０は、第１反射部材１１９ａ、第２反射部材１１９ｂを有する。

第１反射部材１１９ａ及び第２反射部材１１９ｂは、それぞれ異なる波長域の光を反射する。第１反射部材１１９ａ及び第２反射部材１１９ｂは、例えば、それぞれ走査光の波長域を異なる波長域に変換して反射する波長変換素子である。また、第１反射部材１１９ａ及び第２反射部材１１９ｂは、それぞれ走査光の走査範囲内において互いに反対側の端部近傍に設けられている。

このような構成により、例えばミラー１１１が図５において反時計回り方向に回動して第１反射部材１１９ａに走査光が入射すると、光検出器１０５における光検出信号にピークが表れる。また、例えばミラー１１１が図５において時計回り方向に回動して第２反射部材１１９ｂに走査光が入射すると、光検出器１０５における光検出信号に、第１反射部材１１９ａに走査光が入射した場合とは最大値が異なるピークが表れる。

角度検出部１２１は、例えば、周期的に回動するミラー１１１の回動方向を、第１反射部材１１９ａ又は第２反射部材１１９ｂからの反射光によって光検出信号のピークが検出された時間からの経過時間に基づいて判定できる。光検出信号に表れるピークの最大値を比較することで、第１反射部材１１９ａの反射光による光検出信号のピークと、第２反射部材１１９ｂの反射光による光検出信号のピークとが、何れの反射部材からの反射光に起因するものかを判定できる。

なお、第１反射部材１１９ａ及び第２反射部材１１９ｂは、所定の波長域を透過する材料で形成されてもよい。各反射部材が光を透過することで、対象物５００の走査範囲を拡大できる。

また、光源１０１と光ファイバ１０３との間に、ハーフミラー及び光検出器を含む受光部を複数設け、第１反射部材１１９ａからの反射光及び第２反射部材１１９ｂからの反射光をそれぞれ異なる受光部で検出してもよい。第１反射部材１１９ａからの反射光を検出する受光部には、第１反射部材１１９ａからの反射光に対応する波長域の光を反射するハーフミラーが設けられる。また、第２反射部材１１９ｂからの反射光を検出する受光部には、第２反射部材１１９ｂからの反射光に対応する波長域の光を反射するハーフミラーが設けられる。このような構成により、第１反射部材１１９ａからの反射光及び第２反射部材１１９ｂからの反射光の検出精度が向上し、ミラー１１１のミラー角度θをより正確に検出することが可能になる。

以上、実施形態に係るミラーユニット及び光走査装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。なお、上記した実施形態における各部の寸法は、例示した値に限定されるものではない。

１００，２００，３００光走査装置
１０５光検出器（受光部）
１１０，２１０，３１０ミラーユニット
１１１ミラー
１１７反射部材（第１反射部材）
１１８ａ，１１８ｂ反射部材（第２反射部材）
１１９ａ第１反射部材
１１９ｂ第２反射部材
１２１角度検出部
５００対象物

Claims

回動しながら光源からの照射光を反射し、前記光源からの照射光を反射した走査光で対象物を走査するミラーと、
前記走査光の走査範囲内に設けられて前記走査光を反射する第１反射部材と、を有する
ことを特徴とするミラーユニット。
前記第１反射部材は、所定の波長域の光を透過する
ことを特徴とする請求項１に記載のミラーユニット。
前記走査光の走査範囲内において前記第１反射部材とは異なる位置に設けられて前記走査光を反射する第２反射部材を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のミラーユニット。
前記第２反射部材は、所定の波長域の光を透過する
ことを特徴とする請求項３に記載のミラーユニット。
前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、それぞれ異なる数の反射部材を含む
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のミラーユニット。
前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、それぞれ異なる波長域の光を反射する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のミラーユニット。
請求項１から６の何れか一項に記載のミラーユニットと、
前記走査光が前記対象物又は前記第１反射部材により反射された反射光を受光し、受光量に応じた信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力される信号に基づいて前記ミラーの角度を検出する角度検出部と、を有する
ことを特徴とする光走査装置。